JP2008126298A - レーザ溶接方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビーム溶接において、特殊なレンズやレーザ光を円運動させる手段を用いることなく、金属板の溶融時に発生した気泡を十分に放出して良好な溶接ができる溶接方法および溶接装置を提供する。
【解決手段】複数枚の金属板（Ｘ１，Ｘ２）重ね合せ部の表面に複数のレーザビームを近接して高エネルギーで照射して、全金属板（Ｘ１，Ｘ２）を溶融させ、次に、この溶融部位（Ｘａ）に各レーザビームを低エネルギーで照射して該溶融部位（Ｘａ）の凝固を遅延させ、これらの金属板（Ｘ１，Ｘ２）を溶接する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、レーザビームを用いた溶接方法および溶接装置に関し、金属溶接技術の分野に属する。

例えば自動車の車体を組み立てる際に用いられる溶接方法としては、複数の金属板を一対の電極間に挟んで行う抵抗発熱を利用したスポット溶接が一般的であるが、ワークの形状等によっては、非接触式のレーザ溶接が用いられることがある。

このレーザ溶接は、所要の溶接強度を確保する上で、溶接箇所に連続的にレーザビームを照射して行うのが通例であり、このような方法によると、その照射部位にエネルギーが集中し、そのため、ビームが照射された一方の金属板が局部的に急速に溶融する。そして、この溶融した金属が板間隙間を介して他方の金属板に溶着し、凝固することにより溶接されることになる。しかし、金属が溶融した状態からビームの照射を止めると、溶融部分が急激に凝固するので、溶融時に発生した気泡が蒸発しきらないまま溶接部に留まり、その結果溶接強度が極端に低下して溶接欠陥が生じる。

この問題を解決するために、特許文献１によれば、レーザ溶接方法として、レーザービームの照射パターンのビーム強度分布が光軸近辺の中心部より周辺部のほうを高くなるように集光レンズを形成するとともに、その集光レンズを振動子により駆動させてレーザービームを円運動させながら溶接箇所に照射することにより、溶接箇所で発生した気泡（ガス）を外部に蒸発させて溶接欠陥を防止するようにしたものが開示されている。
特開２００３−３０５５８１号公報

しかし上記の方法においては、特殊なレンズが必要になるだけでなく、レーザ光を円運動させる手段が必要となる。

そこで本発明は、レーザビーム溶接において、前記特殊なレンズやレーザ光を円運動させる手段を用いることなく、金属板の溶融時に発生した気泡を十分に放出して良好な溶接ができる溶接方法および溶接装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、複数枚の金属板を重ね、その重ね合わせ部にレーザビームを照射して金属板を溶接するレーザ溶接方法において、前記複数枚の金属板重ね合せ部の表面に複数のレーザビームを近接して高エネルギーで照射して、全金属板を溶融させ、次に、この溶融部位に各レーザビームを低エネルギーで照射して該溶融部位の凝固を遅延させ、これらの金属板を溶接することを特徴とする。

次に、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のレーザ溶接方法において、前記複数枚の金属板は鋼板であり、少なくとも一枚の鋼板には該鋼板の融点より沸点が低い金属のメッキが施されていることを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記請求項１または２に記載のレーザ溶接方法において、前記高エネルギーで照射する工程と前記低エネルギーで照射する工程との少なくとも一方の工程で、前記溶接部位に照射するレーザビームの出力波形はパルス波形であることを特徴とする。

そして、請求項４に記載の発明は、複数枚の金属板を重ね、その重ね合わせ部にレーザビームを照射して金属板を溶接するレーザ溶接装置において、前記複数枚の金属板重ね合せ部の表面に複数のレーザビームを近接して照射するレーザ照射手段と、該照射手段による各レーザビームの照射を高エネルギーで行って金属板を溶融し、次いで該溶融部位の凝固を遅延させるように各レーザビームの照射を低エネルギーで行うように、各レーザビームのエネルギーを調整するエネルギー調整手段とを有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、前記請求項４に記載のレーザ溶接装置において、前記複数枚の金属板は鋼板であり、少なくとも一枚の鋼板には該鋼板の融点より沸点が低い金属のメッキが施されていることを特徴とする。

さらに、請求項６に記載の発明は、前記請求項４または５に記載のレーザ溶接装置において、前記高エネルギーで照射する工程と前記低エネルギーで照射する工程との少なくとも一方の工程で、前記エネルギー調整手段は、前記溶接部位に照射するレーザビームの出力波形をパルス波形にすることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、複数枚の金属板の重ね合わせ部にレーザビームを照射する際に、まず高エネルギーで該重ね合せ部にレーザビームを照射するので、金属板が溶融されることになる。

そして、次にレーザビームを低エネルギーで照射するが、このようにすると、溶融部位の金属が急激に凝固せず、該溶融部位に発生した気泡を放出する時間が確保される。したがって、良好な溶接ができ、十分な溶接強度を得ることができる。

そして、特にこの発明では、所定の溶接箇所に複数のレーザビームを近接して照射するので、両金属板が比較的広い範囲で溶接されることになり、所要の溶接強度が得られる。

ところで、請求項２に記載のように、前記複数枚の金属板が鋼板で少なくとも一枚の鋼板には該鋼板の融点より低い沸点の金属メッキが施されている場合、レーザビームを照射すると、鋼板が溶融する前に金属メッキが気化し、溶融金属中に金属メッキの蒸気が混入することになる。そして、この状態でレーザビームの照射を停止すると、溶融金属が急激に凝固し、金属メッキの蒸気が外部に排出されることなく溶接部位に気泡として閉じ込められるといった欠陥が発生するおそれがある。しかし、このような場合においても、請求項１に記載の発明ように、鋼板に低エネルギーのレーザビームを照射することにより、該金属板の溶接部位に発生した金属メッキの気泡を十分に放出させることができる。すなわち、良好な溶接ができ、十分な溶接強度を得ることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、高エネルギーで照射する工程と低エネルギーで照射する工程との少なくとも一方の場合において、溶接部位に照射するレーザビームの出力波形はパルス波形であるので、レーザビームが照射されると溶接部位で溶融している金属が振動し、この振動により溶融金属内の気泡が外部へ排出されるのが促進されることとなる。

そして、請求項４から請求項６に記載の発明に係るレーザ溶接装置は、前記請求項１から請求項３に記載の方法をそれぞれ実施するものであるから、これらの方法による前記の効果と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明するレーザ溶接装置は本発明に係るレーザ溶接装置の実施の形態を構成すると共に、その動作は、本発明に係るレーザ溶接方法の実施の形態を構成する。

図１は、レーザ溶接装置の全体構成を示すもので、この溶接装置１は、レーザビームを生成するレーザ発振装置１０と、該発振装置１０で生成されたレーザビームをファイバーケーブル１１を介して入力し、これをワークＸに照射するレーザ照射装置２０と、前記発振装置１０及び照射装置２０の作動を制御する制御装置３０とを有し、該制御装置１０からの信号で、発振装置１０で生成されるレーザビームの出力が制御されると共に、照射装置２０のフォーカスアクチュエータ２１が制御されて、レーザビームの焦点位置が調整されるようになっている。

図２〜図４は、前記レーザ照射装置２０の構成の概略説明図で、この装置２０は、ハウジング２２を有し、該ハウジング２２の上面に前記ファイバーケーブル１１の下流端部が取り付けられていると共に、内部には、上方から、前記ケーブル１１の下流端部から放射されるレーザビームを平行ビームに収束させるコリメーションレンズ２３と、この平行ビームを２つのビームに分割する第１プリズムレンズ２４と、該第１プリズムレンズ２４と分割方向が直交するように配置されて、分割された２つのビームをそれぞれ２つのビームに分割し、合計４つのビームを形成する第２プリズムレンズ２５と、各ビームをそれぞれ一点に収束させるフォーカスレンズ２６とが配設されている。

そして、前記第１、第２プリズムレンズ２４、２５とフォーカスレンズ２６とは位置関係が固定されてユニット化され、該ユニット２７が前記フォーカスアクチュエータ２１によって全体として上下動し、下方に配置されたワークＸの表面に対する焦点の位置の調整が可能とされている。

次に、このレーザ溶接装置１を用いた溶接作業の動作を説明する。

まず、図５に示すように、レーザ照射装置２０の下方にワークとして溶接すべき２枚の金属板Ｘ１、Ｘ２を重ねて配置する。この金属板Ｘ１、Ｘ２は、溶接部位の近傍で図示しない治具により挟持されて固定されており、溶接部位では、両金属板Ｘ１、Ｘ２の間に板間隙間がほとんど生じていない。

ここで、この実施の形態では、レーザビームが直接照射されるレーザ照射装置２０側の金属板Ｘ１（以下、「第１金属板」という）として亜鉛メッキ鋼板が用いられ、反レーザ照射装置２０側の金属板Ｘ２（以下、「第２金属板」という）として通常の鋼板が用いられている。

そして、レーザ照射装置２０の下方に第１、第２金属板Ｘ１、Ｘ２を重ねて配置した状態で、制御装置３０により、レーザ発振装置１０の出力と、レーザ照射装置２０におけるフォーカスアクチュエータ２１とを制御し、照射工程中、出力及び焦点位置を図６に示すように制御する。

つまり、まず照射工程の初期は、レーザビームの出力を低出力とし、かつ、焦点の位置を、該ビームが照射される第１金属板Ｘ１の表面、即ち被照射面Ｘ１′より第２金属板２側にオフセットする。

このとき、図７（ａ）に示すように、レーザビームは拡散した状態で第１金属板Ｘ１の被照射面Ｘ１′に照射されることになり、出力が低いことと相まって低エネルギーのレーザビームが該被照射面Ｘ１′に照射されることになる。また、このレーザビームが近接して４本照射されると共に、各ビームは被照射面Ｘ１′上で拡散しているから、該面Ｘ１′の比較的広い範囲に均等化されて照射されることになる。

これにより、第１金属板Ｘ１の所要面積の領域が溶融することになるが、このとき、照射されているレーザビームは低エネルギーのビームであるので、反レーザ照射装置２０側の第２金属板Ｘ２は溶融するに至らず、レーザ照射装置２０側の第１金属板Ｘ１のみが広範囲に溶融した状態となる。

次に、照射開始後、所定時間が経過して、照射工程の中期に移行すれば、制御装置３０により、図６に示すように、レーザビームの出力が高出力とされ、かつ、焦点位置が第１金属板Ｘ１の被照射面Ｘ１′とされる。

これにより、図７（ｂ）に示すように、第１金属板Ｘ１の被照射面Ｘ１′に、高出力で高密度のレーザビーム、即ち高エネルギーのレーザビームが照射されることになる。

そして、この高エネルギーのレーザビームにより、該ビームが直接照射される第１金属板Ｘ１だけでなく、反レーザ照射装置２０側の第２金属板Ｘ２も溶融されることになるが、その際、前記第１金属板Ｘ１は比較的広い範囲に亘って十分な量が既に溶融されているので、高エネルギーのレーザビームの照射を受けて第２金属板Ｘ２も溶融されるときに、板間隙間があっても非溶接部を生じることがなく、両金属板Ｘ１、Ｘ２が確実に溶接されることになる。これにより、前記のような高エネルギーのレーザビームにより、金属板が局部的に急速に溶融することによる溶け落ち欠陥が防止される。

また、前記照射工程初期における低エネルギーのレーザビームによる第１金属板Ｘ１の溶融、及び照射工程中期における高エネルギーのレーザビームによる第１、第２金属板Ｘ１、Ｘ２の溶接が４本のレーザビームにより行われることにより、当該溶接部位が強固に溶接されることになる。

なお、図７（ｂ）に示すように、第１金属板Ｘ１および第２金属板Ｘ２が溶融されると、第１金属板Ｘ１、第２金属板Ｘ２には溶融部位Ｘａが形成されるが、その溶融部位Ｘａの中心付近に略逆円錐状のキーホールＸｂが発生する。このキーホールＸｂは溶融部位Ｘａの温度低下に伴って徐々に閉じる。また、キーホールＸｂが形成されている状態において、沸点が第１金属板Ｘ１の融点より低い亜鉛の蒸気が、キーホールＸｂ内部およびキーホールＸｂ近辺の溶融部位内部と溶融部位Ｘａの上面近辺に存在している。

また、この実施の形態では、第１金属板Ｘ１として亜鉛メッキ鋼板を用いていることに伴い、図６に示すように、照射工程の後期では、レーザビームの出力を再び低出力とするように制御する。

つまり、亜鉛のように沸点が鋼板の融点より低い金属が存在すると、溶接すべき鋼板が溶融する前に亜鉛が気化し、キーホールＸｂや溶融部位Ｘａの内部や近辺に亜鉛蒸気が存在することになる。そして、この状態でレーザビームの照射を止めると、溶融金属の温度が急速に低下し、図７（ｃ）に示すようにキーホールＸｂが閉じ、亜鉛蒸気の一部は第１金属板の外部に排出されずに気泡として溶融部位Ｘａに留まったまま凝固し、溶接された部位に気泡が閉じ込められるといった欠陥が発生する。

そこで、この実施の形態においては、レーザ照射工程の後期に、レーザビームの出力を再び低出力にして溶融部位Ｘａに照射するようにしている。このようにすることにより、第１、第２金属板Ｘ１、Ｘ２の溶融部位Ｘａの凝固を遅延させることができる。そのため、キーホールＸｂが閉じたことによって溶融部位内に留まったままの気泡が金属成分が凝固するまでに排出される時間的余裕ができ、金属が凝固するまでにほとんどの気泡が外部に排出されるのである（図７（ｄ）参照）。これにより、溶接部位への気泡の閉じ込めによる欠陥が防止される。

以上により、この実施の形態によれば、レーザ照射工程初期における低エネルギーのレーザビームの照射によって、板間隙間がある場合の溶け落ち欠陥が防止されると共に、レーザ照射工程後期における同じく低エネルギーのレーザビームの照射により、亜鉛メッキ鋼板を用いる場合等の鋼板の融点より沸点が低い金属が含まれる場合の金属蒸気の気泡の閉じ込めによる欠陥も防止されることになり、所要の強度を備えた溶接が安定的に得られることになる。

なお、図８は、図６に示すように出力及び焦点位置を制御したレーザビームを一定範囲内の近接した４箇所に順次照射してレーザ溶接を行ったテストピース（図９（ａ）参照）と、従来のスポット溶接（抵抗溶接）を行ったテストピース（図９（ｂ）参照）の溶接強度（引張りせん断強度）を比較した実験の結果を示すもので、レーザ溶接における４箇所の照射位置を含む範囲の径と、スポット溶接におけるナゲット径が等しい場合、図６に示す制御を行ったレーザ溶接はスポット溶接と同等の溶接強度が得られることが確認された。この実験は、複数のレーザビームを同時に照射しない点で本発明の実施の形態とは異なる点があるが、本発明によるレーザ溶接方法が、従来のスポット溶接と同等の溶接強度を実現できることを推測させるものである。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。

本実施の形態では、図１０に示すようにレーザビームの出力波形を照射工程中期および後期においてパルス波形出力としている。この場合、第１金属板Ｘ１の被照射面Ｘ１′にレーザビームを照射すると、その照射位置で溶融している金属が振動する。そしてこの金属の振動により、前記溶融部位Ｘａに留まっている亜鉛の気泡が強制的に上方へ移動させられ、該溶融部位Ｘａの外部へ排出される。

このように、本実施の形態によれば、照射工程中期および後期においてパルス波形出力にすることにより、溶融部位Ｘａに留まっている亜鉛の気泡が外部へ排出されることになるので、亜鉛メッキ鋼板を用いる場合等の鋼板の融点より沸点が低い金属が含まれる場合の金属蒸気の気泡の閉じ込めによる欠陥も防止されることになり、所要の強度を備えた溶接が安定的に得られることになる。

なお、本実施の形態においては、照射工程中期および後期の両方でパルス波形出力としたが、それに限らず、照射工程中期または照射工程後期の少なくとも一方のみとしてもよい。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。

本実施の形態では、図１１に示すようにレーザビームの焦点位置を照射工程後期において、照射工程前期と同じ第１金属板Ｘ１の表面、即ち被照射面Ｘ１′より第２金属板２側にオフセットした下方位置に移動としている。この場合、レーザビームは拡散した状態で第１金属板Ｘ１の被照射面Ｘ１′に照射されることになり、出力が低下させられることと相まって低エネルギーのレーザビームが該被照射面Ｘ１′に照射されることになる。このようにすることにより、被照射面Ｘ１′からレーザビームの焦点が外れた状態になるので、単位面積当りのレーザビームのエネルギーが低くなると共にビーム径も大きくなり、溶融部位Ｘａの広い範囲で金属が凝固する時間を遅延させることができる。

なお、前記図１１に示す第３の実施形態の焦点位置の制御は、前記図１０に示す第２の実施形態のレーザビーム出力の制御の場合にも応用でき、このような焦点位置とレーザビーム出力の制御の組み合わせにおいても前記実施の形態と同様の効果が得られる。

そして、図６に示す実施の形態において、照射工程初期に低エネルギーのレーザビームを出力しているが、これは、第１金属板Ｘ１と第２金属板Ｘ２との間に板間隙間があり、溶け落ちを防止する必要がある場合のみ必要な工程であり、第１金属板Ｘ１と第２金属板Ｘ２が密着して重ね合わされており、溶け落ちが生じない場合は、照射初期工程なしで高エネルギーのレーザビームを照射しても差し支えない。

以上のように本発明によれば、溶融部位に発生した気泡が放出される時間を確保することができるので，良好な溶接ができ、十分な溶接強度を得ることができるレーザ溶接が可能となり、したがって、自動車の車体の製造等、金属板の溶接を伴う各種製造産業において好適に利用される可能性がある。

本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置の全体構成図である。 同装置におけるレーザ照射装置の構成を示す模式図である。 図２のａ−ａ線による断面図である。 図２のｂ−ｂ線による断面図である。 レーザ照射装置にワークをセットした状態を示す図である。 レーザ発振装置とレーザ照射装置に対する制御内容を示すタイムチャートである。 レーザ照射工程初期、中期および後期におけるレーザビームとワークの状態および溶接が終了したワークの状態をそれぞれ示す図である。 本発明に関連して行った溶接強度確認実験の結果を示すグラフである。 図８の実験で用いたテストピースの説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振装置のレーザ出力の制御内容を示すタイムチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係るレーザ照射装置のレーザビームの焦点位置の制御内容を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ レーザ溶接装置
１０ レーザ発振装置
２０ レーザ照射装置
３０ 制御装置
Ｘａ 溶融部位
Ｘ１ 金属板（第１金属板）
Ｘ２ 金属板（第２金属板）

Claims (6)

1. 複数枚の金属板を重ね、その重ね合わせ部にレーザビームを照射して金属板を溶接するレーザ溶接方法において、
   前記複数枚の金属板重ね合せ部の表面に複数のレーザビームを近接して高エネルギーで照射して、全金属板を溶融させ、次に、この溶融部位に各レーザビームを低エネルギーで照射して該溶融部位の凝固を遅延させ、これらの金属板を溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
   前記複数枚の金属板は鋼板であり、少なくとも一枚の鋼板には該鋼板の融点より沸点が低い金属のメッキが施されていることを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 前記請求項１または２に記載のレーザ溶接方法において、
   前記高エネルギーで照射する工程と前記低エネルギーで照射する工程との少なくとも一方の工程で、前記溶接部位に照射するレーザビームの出力波形はパルス波形であることを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 複数枚の金属板を重ね、その重ね合わせ部にレーザビームを照射して金属板を溶接するレーザ溶接装置において、
   前記複数枚の金属板重ね合せ部の表面に複数のレーザビームを近接して照射するレーザ照射手段と、該照射手段による各レーザビームの照射を高エネルギーで行って金属板を溶融し、次いで該溶融部位の凝固を遅延させるように各レーザビームの照射を低エネルギーで行うように、各レーザビームのエネルギーを調整するエネルギー調整手段とを有することを特徴とするレーザ溶接装置。
5. 前記請求項４に記載のレーザ溶接装置において、
   前記複数枚の金属板は鋼板であり、少なくとも一枚の鋼板には該鋼板の融点より沸点が低い金属のメッキが施されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
6. 前記請求項４または５に記載のレーザ溶接装置において、
   前記高エネルギーで照射する工程と前記低エネルギーで照射する工程との少なくとも一方の工程で、前記エネルギー調整手段は、前記溶接部位に照射するレーザビームの出力波形をパルス波形にすることを特徴とするレーザ溶接装置。

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